光に関する論文
Book by Christiaan Huygens
光に関する論文
著者クリスティアーン・ホイヘンス
言語フランス語
ジャンル光学
出版1690

『光論：反射と屈折において起こる原因を説明する』（フランス語： Traité de la Lumière: Où sont expliquées les causes de ce qui luy arrive dans la reflexion & dans la refraction ）は、オランダの博学者 クリスティアーン・ホイヘンスによって書かれた本で、 1690年にフランス語で出版されました。この本は、ホイヘンスが置き換えようとしたデカルトの『屈折論』で示された幾何光学の法則を説明することを可能にする、光の伝播の性質に関するホイヘンスの概念を記述しています。 [1]

ニュートンの『光学』 [ 2]で提唱された粒子理論とは異なり、ホイヘンスは光を音波と同様にエーテル中を非常に大きいが有限の速度で進む不規則な衝撃波の連なりとして捉えた。さらに彼は、波面の各点自体が二次的な球面波の起源であると提唱した。これは今日ホイヘンス・フレネルの原理として知られる原理である。[3]この本は理論物理学と数理物理学の先駆的な著作であり、観測不可能な物理現象を初めて機械論的に説明したものとみなされている。[4] [5]

概要

ホイヘンスは、 1652年に執筆を開始したものの未発表のまま残された著書『屈折学』において、光線の数学と屈折の性質について研究した。これはレンズ研磨の研究よりも前のことである。1672年、アイスランド水晶の奇妙な屈折問題が、屈折物理学に関する難問を生み出し、ホイヘンスはこれを解決しようとした。[6]ホイヘンスは最終的に1677年に楕円波を用いてこの問題を解明し、1679年の臨界反応の後、主に実験によって理論を検証した。[7]

複屈折に関する彼の説明は、3つの仮説に基づいていた。(1) 結晶内部には光波が進行する2つの媒質が存在する、(2) 一方の媒質は通常のエーテルとして振舞い、正常屈折した光線を運ぶ、(3) もう一方の媒質における波の速度は方向に依存するため、波は球面ではなく回転楕円体として広がる。この第二の異常媒質は異常屈折した光線を運ぶ。ホイヘンスは結晶の対称性を研究することで、楕円体の軸の方向を特定し、異常光線の屈折特性から軸間の比率を確立した。彼は結晶の自然な側面以外の平面における光線の屈折を計算し、最終的に多くの結果を実験的に検証した。[3] [8]

ホイヘンスは、この結果を『屈折光学』の一部として出版するつもりだったが、最終段階で光理論を他の研究から切り離すことを決定し、幾何光学から物理光学への移行を決定した。[9]それから1世紀以上経って、エティエンヌ・マルスらがホイヘンスの光線と波面の考えを再構築するのに15年を要した。 [10]

コンテンツ

伝播媒体

第1章で、ホイヘンスは光を、彼がエーテルと呼ぶ未知の性質を持つ物質媒体中を移動する擾乱として記述し、音を伝播する媒体とは異なると述べています。このエーテル物質は、彼が1669年に発見した法則に従って衝突する弾性粒子で構成されています

ホイヘンスは、物質の構造は原子であり、「互いに接触しながらも連続した固体を形成しない」粒子の集合体で構成されていると考えた。[11]したがって、光波は粒子が移動することなく、ある粒子から別の粒子へと伝わることができる。伝播の問題を別の観点から見ると、光を透過するのは透明媒体の粒子ではなく、固体または液体の隙間（あるいは、光がトリチェリの気圧計の上部を通過することから真空でさえも）を透過するエーテル物質の粒子であると考えることができる。[11]最後に、ホイヘンスは最初の2つのタイプを組み合わせた3番目のタイプの光伝播を考察している。

第1章で論じられたもう一つの概念は光速度であり、ホイヘンスはここでピエール・ド・フェルマーの時間概念を独自に取り上げている。彼は、光波を生み出す「振動」は、たとえ非常に高速であっても、必然的に有限の速度で移動すると考えている。この点は、その証明が様々な経路における移動時間の等価性に基づいているため、非常に重要である。[6] [7]ホイヘンスは、1677年のオーレ・クリステンセン・レーマーの書簡について報告している。その中では、光速度は音速の少なくとも10万倍、おそらくは6倍速いとされている。後者の場合、レーマーが発見した速度（214,000 km / s）は、今日認められている光速度と同程度の大きさであった。[5]

波面の性質

ホイヘンスの『光論』（1690年）における波面の図解。

伝播媒体と光速度に関する考察に続いて、ホイヘンスは波面の幾何学的図式を示し、これが後にホイヘンスの原理として知られるようになった基礎となった。彼の伝播原理は、一点から発せられる光の波（あるいはパルス）が、より小さな波束（ウェーブレット）を生成することを実証したものである。[12]

...これらの波はそれぞれ、[主波]と比較した場合のみ、限りなく弱くなります。[主波]の構成には、他のすべての波が、[波の起源]から最も遠い表面部分によって寄与します。

これは、エーテル中の各粒子が新たな波面の源であり、これらの「二次波」はホイヘンスによって「微弱」と特徴付けられるにもかかわらず、各波上の点が集合的に光として見える一次波を形成することを意味します。[12]つまり、新たな波面は、伝播方向におけるすべての二次波の接線面となります。[13]

ホイヘンスの解析において重要なのは、これらの二次波が数学的に構築可能であり、二次波から逆算して一定時間伝播した一次波を構築できることである。これがホイヘンスの光理論全体の基盤となる原理であり、彼の理論を先人たちの理論と区別するものである。[10]

本の残りの部分

第2章では反射について簡単に触れ、第3章と第4章では屈折について考察しています。ホイヘンスは、透明媒体と不透明媒体の粒子組成の違いを丁寧に説明し、特に大気の屈折について考察しています。[12]

第5章では、アイスランド水晶の奇妙な屈折について取り上げています。ホイヘンスは結晶の一部を切り取り、その内部での光伝播の形状を研究した後、読者を段階的な実験的調査に導きます。彼の奇妙な屈折の説明は、常光線と異常光線の特性に基づいています。常光線は一定の屈折率のために球面波面を持ち、これは結晶内部の伝播方向には依存せず、すべての方向で同じ速度を持ちます。一方、異常光線は屈折率のために楕円面波面を持ち、これは結晶内部の伝播方向によって変化し、異なる方向に異なる速度をもたらします。[14]したがって、光が結晶を通過すると、結晶内部で異なる経路をたどる2つの波面に分割され、結果として2つの屈折した光線が観測されます。

以下に述べる一連の段階的な調査は、ホイヘンスによる奇妙な屈折の説明を裏付けることを意図していた。これはレーマーによる初期の反論に端を発しており、ホイヘンスが実験に関してこれほど詳細な情報を提供した数少ない研究例の一つとなっている。[4]ホイヘンスはこれらの数学的および実験的資源を駆使して、19世紀初頭まで検証が不可能であったものも含め、驚くべき成果を達成した。[15]

この本の第6章は透明体における屈折と反射についての議論で締めくくられている。[12]

遺産

ホイヘンス流の波の屈折

ホイヘンスの『光論』における主要な功績は、光波の伝播速度のみから、直線伝播、反射、単屈折および複屈折の本質的な特徴をすべて導き出せることを実証した点である。光線を物理的性質を欠いた幾何学的構成物に還元することで、ホイヘンスは光理論を運動学的（ひいては数学的）に扱うことができ、先人たちが失敗した分野で成功を収めた。[10] [16]

ホイヘンスの解析の完全性は印象的ですが、彼は現在私たちが偏光として認識している効果、つまり屈折光線が配向を変化させた別の結晶を通過する際に生じる効果を理解していませんでした。また、彼は色収差や色といった多くの問題にも触れていませんでした。これらはニュートンが望遠鏡の製作中に経験したにもかかわらず、ニュートンによって説明されていました。[3]

アントワーヌ・パランとルネ・ジュスト・アユイを除けば、ホイヘンスの『光論』におけるアイデアは、出版後1世紀の間にほとんど忘れ去られました。これらのアイデアの多くは、19世紀初頭にオーギュスタン＝ジャン・フレネルによって独自に展開され、後に『光の回折に関する回想録』（1818年）として出版されました。フレネルは後にホイヘンスの研究を知り、1821年にホイヘンスの原理を応用して光の直進伝播と回折効果を完全に説明しました。この原理は現在、ホイヘンス・フレネルの原理として知られています。[1] [5]

参照

参考文献

  1. ^ ab AI Sabra (1981). 光の理論、デカルトからニュートンまで. CUPアーカイブ. p. 186. ISBN 978-0-521-28436-3。
  2. ^ シャピロ, AE (1989). 「ホイヘンスの『光の研究』とニュートンの『光学』：仮説の追求と回避」 .ロンドン王立協会紀要. 43 (2): 223–247 . doi :10.1098/rsnr.1989.0016. ISSN  0035-9149. JSTOR  531384. S2CID  145336637
  3. ^ abc Bos, HJM (1973). ホイヘンス, クリスティアーン.科学人物略歴完全辞典, pp. 597-613.
  4. ^ ab Dijksterhuis、フォッコ ヤン (2004)。レンズと波: クリスティアン・ホイヘンスと 17 世紀の光学の数学。アルキメデス。オランダのシュプリンガー社。ISBN 978-1-4020-2697-3。
  5. ^ abc Kubbinga, H (1995). 「クリスティアーン・ホイヘンスと光学の基礎」 .純粋・応用光学：ヨーロッパ光学会誌パートA. 4 ( 6): 723– 739. Bibcode :1995PApOp...4..723K. doi :10.1088/0963-9659/4/6/004.
  6. ^ ab Dijksterhuis, Fokko Jan (2004). 「スネルの崩壊：17世紀における幾何光学から物理光学へ」 Annals of Science 61 ( 2): 165– 185. doi :10.1080/0003379021000041884. S2CID  123111713.
  7. ^ ab Ziggelaar, Augustine (1980). 「クリスティアーン・ホイヘンスの心の中で、光の波動理論はどのように形成されたのか？」 Annals of Science . 37 (2): 179– 187. doi :10.1080/00033798000200181.
  8. ^ Buchwald, Jed Z. (2007). 「複屈折における光学パラメータの決定のためのホイヘンス法」 .精密科学史アーカイブ. 61 (1): 67– 81. doi :10.1007/s00407-006-0115-7. S2CID  122012266.
  9. ^ ダイクスターハウス、フロリダ州 (2004)。ホイヘンスと光学。Titan - 発見から出会いまで、81-89 ページ。
  10. ^ abc シャピロ、AE (1980)。ホイヘンスの光の運動学理論。 HJM Bos、MJS Rudwick、HAM Snelders、RPW Visser (編)、Christian Huygens に関する研究(pp. 200-220)。スウィッツ＆ツァイトリンガー BV
  11. ^ ab ホイヘンス、クリスティアーン (2005). 光論. トンプソン訳、SP プロジェクト・グーテンベルク.
  12. ^ abcd Howard, N. (2003).クリスティアーン・ホイヘンス: テクストと聴衆の構築(pp. 241-253). インディアナ大学.
  13. ^ Anderson, FL (2021). 「ホイヘンスの原理による幾何学的導出と後流波および後進波の除去」. Scientific Reports . 11 (1): 20257. Bibcode :2021NatSR..1120257A. doi : 10.1038/s41598-021-99049-7 . ISSN  2045-2322. PMC 8511121. PMID 34642401.  S2CID 238746979  . 
  14. ^ Kumar, Arun; Ghatak, Ajoy (2011-01-25)、「二重屈折とその応用」、光ファイバーにおける光の偏光とその応用、TT90巻、SPIE、pp.  47– 75、doi :10.1117/3.861761.ch4、ISBN 978-0-8194-8215-0、 2023年12月10日閲覧
  15. ^ シャピロ、AE（1973）。運動光学：17世紀における光の波動理論の研究。正確科学史アーカイブ、 11、134-266
  16. ^ ブッフワルド、JZ (1989). 『光の波動理論の台頭』シカゴ大学出版局. pp.  3– 6. ISBN 9780226078847。
  • C. ホイヘンス著『Traité de la Lumière』、ライデン：Pieter van der Aa、1690年; archive.org/details/bub_gb_kVxsaYdZaaoC
  • C. ホイヘンス（シルバヌス・P・トンプソン訳）『光論』ロンドン：マクミラン社、1912年；archive.org/details/treatiseonlight031310mbp（および正誤表）
  • C. ホイヘンス（シルバヌス・P・トンプソン訳、1912年）、光論、プロジェクト・グーテンベルク、2005年、gutenberg.org/ebooks/14725（および正誤表）
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Treatise_on_Light&oldid=1312944248"